고출력 초음파를 이용한 아스팔텐 침착 감소
아스팔텐의 침전은 투과도 감소, 저류층 암석의 젖음성 변화, 유정공 막힘 및 생산정 주변의 상당한 압력 강하를 유발하여 석유 생산에 수많은 문제를 일으킵니다. 초음파를 이용한 아스팔텐 해응집 및 분산은 아스팔텐 플록의 형성과 침착을 예방하고 이미 형성된 플록과 침착물을 해소합니다.
문제: 원유 내 아스팔텐
아스팔텐은 원유에 존재하는 고체로, 시추정에서 원유를 생산하고 운송하는 과정에서 심각한 문제를 일으키므로 골칫거리로 여겨집니다. 아스팔텐은 매우 복잡한 분자군으로, 다양한 분자 구조로 존재합니다. 이는 문제의 원인 중 하나로, 아스팔텐의 형태에 따라 발생하는 문제의 심각성이 달라집니다. 아스팔텐의 다양한 구조는 이를 특정 계열로 일반화하기도 어렵게 합니다. 따라서 아스팔텐은 n-알케인에 용해되지 않는 특성을 기준으로 일반적으로 용해도에 따른 분류군으로 분류됩니다.
원유 내 아스팔텐이 유발하는 대표적인 문제로는 저류층, 시추공 및 수송 배관 내의 조밀한 응집물과 침착물 형성 등이 있으며, 이는 결과적으로 운전과 생산을 복잡하게 하고 처리 비용을 증가시킵니다.
Yen 모델로 나타낸 아스팔텐의 집합 및 응집.
자료 제공: O. Mullins, Schlumberger.
초음파 처리 장치 UIP16000은 원유 처리용 고성능 균질기입니다
해결책: 초음파를 이용한 아스팔텐 침전물 감소
침전되고 응집된 아스팔텐 입자는 고출력 초음파 처리로 확실하게 해소할 수 있습니다. 고성능 초음파 처리는 아스팔텐 침전물과 응집물을 작은 입자로 분해합니다. 이로써 아스팔텐은 다시 매우 작은 입자로 분리되어 막힘을 일으키거나 원유 처리를 방해하지 않게 됩니다. 초음파 분산기는 원유 내 입자를 균질하게 분산시킵니다. 장기 안정성을 확보하기 위해 화학적 안정제를 첨가하는 경우가 많습니다. 즉, 초음파 처리는 거대 구조의 아스팔텐 응집을 줄일 수 있으며, 이를 통해 표면의 아스팔텐 침착, 저류층 공극의 막힘, 유정공 막힘 및 배관 내 축적을 방지합니다.
마이크로모델의 여러 위치에 초음파를 가한 조건에서 염수 주입이 끝난 시점.
연구 및 저작권: Deshibi et al.2018 (CC BY-NC-ND 4.0)
- 아스팔텐의 입자 크기 감소
- 아스팔텐 응집체의 분해
- 응집 억제
- 원유의 점도 감소
원유 처리를 위해 설치한 3x UIP1000hdT 초음파 시스템
연구로 입증된 초음파 아스팔텐 감소의 효과
Dehshibi et al. (2018)은 온도를 제어한 조건에서 저주파 고출력 초음파 처리(30kHz)가 아스팔텐의 침전 / 응집 및 침착에 미치는 영향을 연구했습니다. 초음파 처리는 아스팔텐 침착을 감소시켰습니다. 초음파와 이로 인해 발생한 음향 캐비테이션은 오일 층 형성 메커니즘을 통해 석유 생산을 증가시켰습니다. 초음파 처리를 통해 아스팔텐 응집체를 분해할 수 있었을 뿐만 아니라 아스팔텐의 침착을 되돌릴 수도 있었습니다.
또한 초음파 처리를 적용하면 큰 아스팔텐 응집체에 의한 공극 목과 공극의 막힘을 방지할 수 있었습니다. 이로써 아스팔텐 침착으로 인한 압력 강하를 피하고 공극과 공극 목 내의 유체 흐름을 개선했습니다. 영상 분석 결과, 고출력 초음파를 적용하여 침전된 아스팔텐의 약 80%가 침착되지 않은 것으로 나타났습니다. “다시 말해, 초음파 사용으로 아스팔텐 침착이 80% 감소했으며, 이에 따라 미세 유로가 막힐 가능성도 감소합니다.” (Dehshibi et al., 2018)
Deshibi 연구진의 연구 결과는 초음파 진동과 캐비테이션 진동이 표면에서 큰 아스팔텐 집합체를 제거하여 주 유동 내부로 이동시킬 수 있음을 보여주었습니다. 또한 초음파 처리는 집합된 아스팔텐의 양을 감소시켰습니다(아래 그림 참조). 영상 분석에 따르면, 시스템에 초음파 처리를 가하면 침전된 아스팔텐의 약 70%가 침착되지 않습니다.
초음파를 조사한 조건에서 염수(염화마그네슘 용액) 주입이 끝난 시점: (a) 아스팔텐 침착의 가역성 (b) 아스팔텐 제거.
연구 및 저작권: Deshibi et al. 2018 (CC BY-NC-ND 4.0)
고성능 초음파 처리 장치
Hielscher Ultrasonics는 고부하 응용 분야를 위한 고성능 초음파 처리 장치의 개발, 시제품 제작, 제조 및 유통을 전문으로 합니다. 탁월한 성능, 내구성, 견고성 및 신뢰성을 바탕으로 Hielscher 초음파 시스템은 전 세계 석유화학 응용 분야에 설치되어 있습니다. 대표적인 응용 분야로는 초음파 보조 산화 탈황, 원유 유화, 아스팔텐 해응집, 스캐빈저 분산 및 중질유의 점도 감소가 있습니다. Hielscher Ultrasonics의 산업용 초음파 처리 장치는 고부하 응용 분야에 필요한 매우 높은 진폭을 제공할 수 있습니다. 최대 200µm의 진폭으로도 주 7일, 하루 24시간 연속 운전을 손쉽게 수행할 수 있습니다. 이보다 더 높은 진폭을 위해 맞춤형 초음파 소노트로드도 제공됩니다. Hielscher의 산업용 시스템은 매우 높은 점도도 손쉽게 처리하며 유지보수 필요성이 낮습니다.
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아래 표는 당사 초음파 처리 장치의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다:
| 배치 부피 | 유량 | 권장 장치 |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1–20L | 0.2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | 더 높은 유량 | 여러 대로 구성한 UIP16000 |
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문헌 / 참고문헌
- Reza Rezaei Dehshibi, Ali Mohebbi, Masoud Riazi, Mehrdad Niakousari (2018): Experimental investigation on the effect of ultrasonic waves on reducing asphaltene deposition and improving oil recovery under temperature control. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 45, 2018. 204-212.
- Amani, Mahmood, Retnanto, Albertus, AlJuhani, Salem, Al-Jubouri, Mohammed, Shehada, Salem, Rommel Yrac (2015): Investigating the Role of Ultrasonic Wave Technology as an Asphaltene Flocculation Inhibitor, an Experimental Study. International Petroleum Technology Conference, Doha, Qatar, December 2015.
- Khosrow Naderi, Tayfun Babadagli (2010): Influence of intensity and frequency of ultrasonic waves on capillary interaction and oil recovery from different rock types. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 17, Issue 3, 2010. 500-508.
- Goual Lamia (2012): Petroleum asphaltenes. In: Crude Oil Emulsions – Composition Stability and Characterization. InTechOpen 2012.
- Salehzadeh, M., Akherati, A., Ameli, F. and Dabir, B. (2016): Experimental study of ultrasonic radiation on growth kinetic of asphaltene aggregation and deposition. Canadian Journal of Chemical Engineering 94(11). 2202-2209.
알아두면 좋은 정보
아스팔텐
아스팔텐은 주로 탄소, 수소, 질소, 산소 및 황으로 구성되며 미량의 바나듐과 니켈도 포함합니다. C:H 비율은 약 1:1.2이지만 아스팔텐의 출처에 따라 달라집니다. 아스팔텐은 “n-펜테인이나 n-헵테인과 같은 경질 n-알케인에는 용해되지 않지만 톨루엔과 같은 방향족 화합물에는 용해되는, 석유 유체 중 가장 무거운 성분”으로 정의됩니다(Goual 2012).
아스팔텐은 다음 특성에 따라 식별하고 분류할 수 있습니다:
- 고체: 아스팔텐은 저류층 조건에서 원유 내에 균질하게 분산된 고체상입니다.
- n-알케인 불용성: 아스팔텐은 여러 구조를 가지므로 일반화된 구조를 제시하기가 극히 어려워 용해도에 따른 분류군으로 분류됩니다. 따라서 n-펜테인이나 n-헵테인과 같은 경질 n-알케인에는 용해되지 않고 톨루엔이나 자일렌과 같은 방향족 화합물에는 용해되는, 원유 내 분자량이 가장 높은 성분으로 정의됩니다.
- 높은 극성: 아스팔텐은 비극성으로 간주되는 원유 전체와 달리, 원유 성분 중 높은 극성을 띠는 극소수의 성분 중 하나입니다.
- 헤테로원자: 아스팔텐에는 헤테로원자가 결합되어 있으며, 주로 질소, 산소 및 황의 형태로 나타납니다.
